Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника



ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ. РАБОТА. ТЕПЛОТА




Читайте также:
  1. II.Внутренняя политика гетмана И.Мазепы. Его взаимоотношения с Запорожской Сечью.
  2. Pабота. Кинетическая энергия системы. Потенциальная энергия.
  3. Б. Внутренняя безопасность
  4. Внешняя и внутренняя среда маркетинга
  5. Внутренняя активность стягивает на себя большое количество энергии и структурирует пространство таким образом, что мы получаем в итоге то, что мы хотим.
  6. Внутренняя баллистика
  7. Внутренняя интеграция МНК
  8. Внутренняя конструкция
  9. Внутренняя организация новой коры
  10. Внутренняя политика

1. Все макроскопические тела наряду с механической энергией обладают еще и внутренней энергией, обусловленной их внутренним строением и характером движения частиц, входящих в состав этих тел. При тепловых явлениях механическая энергия системы чаще всего остается неизменной, поэтому для описания таких явлений нужно знать лишь внутреннюю энергию системы. Под внутренней энергией понимают кинетическую энергию частиц, входящих в состав данного тела, и потенциальную энергию их взаимодействия. Вообще говоря, внутренняя энергия системы включает в себя и внутреннюю энергию частиц, входящих в состав тела. Однако в явлениях, изучаемых термодинамикой, частицы, из которых построено тело, остаются неизменными, а, следовательно, их внутренняя энергия постоянна. Это означает, что внутренняя энергия системы может быть определена только с точностью до некоторой постоянной. Но поскольку в процессах, происходящих в системе, интерес представляет только изменение ее внутренней энергии, то конкретное значение этой постоянной несущественно.

Из определения внутренней энергии системы следует, что она определяется скоростями частиц и расстоянием между ними (эти расстояния определяют потенциальную энергию взаимодействия между частицами) в данный момент времени и не зависит от значения этих величин в предыдущие моменты времени. Другими словами, внутренняя энергия системы зависит только от состояния, в котором система находится в данный момент времени, и не зависит от состояний, из которых она перешла в данное. По этой причине внутреннюю энергию, как и другие физические величины, обладающие этим свойством, называют функцией состояния. Это означает, что при переходе системы из состояния 1, в котором внутренняя энергия имела значение U1, в другое состояние 2 с внутренней энергией U2, изменение внутренней энергии, равное , зависит только от значений U1 и U2 и не зависит от способа перехода системы из первого состояния во второе.

Итак, внутренняя энергия – внутренний параметр термодинамической системы, однозначно определяющийся ее состоянием. Внутренняя энергия подчиняется закону аддитивности: энергия системы равна сумме энергий систем, ее составляющих. В качестве конкретной термодинамической системы рассмотрим идеальный газ. Его состояние можно описать пятью параметрами: P, V, T, m и μ (m – масса газа, μ – молекулярная масса), которые связаны уравнением состояния



,  

где R – универсальная газовая постоянная. Для идеального газа потенциальная энергия взаимодействия молекул на расстоянии равна нулю, поэтому внутренняя энергия газа складывается только из кинетической энергии его молекул, определяемой формулой (4.14). В массе газа m с молекулярной массой μ содержится – число молекул, где NA – число Авогадро. Следовательно, внутренняя энергия массы m одноатомного идеального газа равна

(4.15)

и является функцией температуры. При переходе этой системы из состояния 1, определяемое температурой T1, в состояние с температурой T2 изменение внутренней энергии равно

.  

 

Рис. 4.6

2. Изменить внутреннюю энергию системы можно двумя различными способами. Говорят, что существуют два "канала", посредством которых система обменивается энергией с окружающей средой. Если внешнее воздействие на систему носит механический характер, то изменение ее энергии определяется работой внешних сил. Работа не является формой энергии, это лишь один из способов передачи энергии, это то, что мы совершаем, когда нам необходимо тем или иным способом изменить энергию объекта, не используя при этом разность температур. Например, поршень перемещается в цилиндре, заполненном газом (рис. 4.6), на расстояние под действием силы . При этом совершается работа. Количество энергии, переданное системой (системе) в процессе механического воздействия, называется работой. Обозначают ее буквой A. Работу A принято считать положительной, если она совершается системой (энергия передается от системы внешним телам). Если работа совершается над системой, то работа считается отрицательной. Работу можно вычислить, зная изменение параметров самой системы. Так, например, при изобарном расширении газа работа силы при перемещении поршня на равна . Поскольку F = РS, где P – давление газа, S – площадь поршня, то . Так как – изменение объема газа, то работа изобарного расширения газа равна



. (4.16)

 

Рис. 4.7

На рис. 4.7 видно, что работа расширения газа при изобарном процессе представляется площадью заштрихованного прямоугольника. Покажем, что в любом процессе работа расширения газа от объема V1 до объема V2 графически может быть представлена площадью, ограниченной графиком процесса и ординатами, соответствующими значениям объемов V1 и V2 в начальном и конечном состояниях (рис. 4.8). Пусть система совершила переход из состояния 1 в состояние 2 и расширилась при этом от объема V1 до объема V2. Разобьем процесс расширения системы на этапы столь малого расширения , в пределах каждого из которых давление можно считать постоянным (фактически оно изменяется пренебрежимо мало). Тем самым процесс 1-2 заменяется последовательностью следующих друг за другом изобарных процессов. Пусть число элементарных расширений – n. Работа на каждом таком этапе равна . Вся работа расширения газа от объема V1 до объема V2 равна сумме элементарных работ, то есть



. (4.17)

 

  Рис. 4.8

На рис. 4.8 полная работа представляется площадью заштрихованной фигуры. Очевидно, что последнее заключение выполняется тем точнее, чем больше n. Подводя итог, следует особо подчеркнуть, что работа является функцией процесса. 3. Второй способ изменения внутренней энергии связан с внешним воздействием, при котором изменение энергии системы происходит на молекулярном уровне без совершения макроскопической работы в результате хаотического теплового движения на границе рассматриваемой системы с внешними телами. Сообщить какому-либо телу количество теплоты, то есть нагреть его, означает передать ему энергию строго определенным образом (используя разность температур между более и менее нагретым телом). Охладить объект – это значит произвести действие, обратное нагреванию, то есть отвести от него энергию, используя разность температур между охлаждаемым и более холодными телами. Таким образом, теплота – это отнюдь не одна из форм энергии, а название одного из способов передачи энергии.

Количественной мерой изменения энергии при таком способе, называемом теплопередачей, является количество теплоты, переданное системе. Обозначается эта величина через Q. Теплота Q считается положительной, если она передается от внешних тел системе, и отрицательной, если она передается от системы внешним телам.

Подчеркнем еще раз, что макроскопическая работа и количество теплоты – это не формы энергии, а только различные способы ее изменения и передачи от одного тела к другому. В то время как энергия характеризует состояние системы, теплота и работа характеризуют изменение состояния, то есть происходящие в системе процессы. Других способов передачи энергии при взаимодействии термодинамической системы с окружающей средой, кроме работы и теплоты, не существует.

Работа и теплота, будучи эквивалентными, в качестве возможных способов передачи энергии оказываются не вполне эквивалентными с точки зрения их взаимных переходов друг в друга. Различие, или, как говорят, асимметрия перехода "работа–тепло" и "тепло–работа", станет предметом дальнейшего рассмотрения, а пока отметим, что работа предполагает перенос энергии с использованием упорядоченного движения частиц окружающей систему среды. Совершая над системой работу, мы вынуждаем ее частицы двигаться упорядоченно, и наоборот, если система совершает работу над окружающей средой, она вызывает в ней упорядоченное движение.

Теплота означает перенос энергии с использованием неупорядоченного движения частиц окружающей среды. При нагревании системы мы всегда вынуждаем ее частицы двигаться неупорядоченно, наоборот, когда теплота переходит от системы к окружающей среде, в ней возникает неупорядоченное движение. Именно отмеченное различие между теплотой и работой положено в основу микроскопического обоснования асимметрии при их взаимном преобразовании. Передачей энергии путем совершения работы и путем теплообмена обусловлены все процессы, происходящие с термодинамической системой. Такая передача энергии не должна сопровождаться переходом вещества от внешних тел к системе или от системы к внешним телам.


Дата добавления: 2015-09-15; просмотров: 7; Нарушение авторских прав







lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2021 год. (0.01 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав
Главная страница Случайная страница Контакты